基于高精度定位技術的煉鋼車間天車安全監控系統

韓立民 劉巖

摘 要：煉鋼是鋼鐵生產的重要環節。煉鋼車間工藝復雜，從鐵水到合格鋼坯需要經過一系列物理化學變化。天車作為煉鋼車間主要的倒運設備，其工作效率直接影響著整個鋼鐵企業的生產節奏，因此為了保證煉鋼車間天車的安全運行，為其提供一套安全監控系統便格外重要。該文結合煉鋼車間天車的運行特點，基于高精度定位技術為煉鋼車間提供了一套天車安全運行的監控系統。為天車的安全運行提供技術保障，進而提高整個煉鋼車間的安全生產等級。

關鍵詞：煉鋼車間；編碼器；激光定位；控制系統

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A

0 引言

在鋼鐵冶煉的過程中涉及眾多復雜的物理化學變化。高爐冶煉完成后，鐵水在煉鋼車間內要經歷脫磷、脫碳、加合金料等多道工序處理。鐵水在不同工序之間的倒運都是通過煉鋼車間內部天車實現的。煉鋼車間鐵水倒運天車為鑄造吊起重機，起重重量通常達到100 t～200 t。天車長期在高溫、高粉塵甚至含有有害氣體的惡劣環境中運行，天車能否安全平穩運行不僅影響了煉鋼車間的生產效率，更關系到車間的工人的人身安全。依托電子技術的發展，將精度更高的檢測手段用于天車位置檢測，以此來確保天車安全運行已成為解決天車定位的重要方式。

1 研究意義

天車是工業生產中不可或缺的起重設備，近年來天車定位技術發展較快。最初天車定位完全憑借天車工自行判斷。天車司機還需要地面指揮人員指導天車走行，這樣傳統的定位模式過度依賴人為操作，天車司機必須具有豐富的駕駛經驗，才能滿足日常生產的需求。隨著編碼器的廣泛應用，在天車大車輪軸上加裝編碼器的定位方式漸漸取代人工操作方式，編碼器統計輪軸的轉數，結合天車輪半徑，進行天車在廠房內部的定位，但是編碼器在煉鋼車間這種高揚塵，高溫度的環境中旋轉軸容易損壞。而且當天車輪在軌道上出現打滑情況時，編碼器不能計算出旋轉的角度，會出現較大誤差。

2 高精度定位技術應用

2.1 光電式編碼器

編碼器是一種安裝在轉動軸上，將軸的機械位移轉換為電脈沖信號或者數字量信號的傳感器。光電式絕對值編碼器是一種將光電檢測技術與編碼器技術相結合的新型傳感器。絕對值編碼器可以將位置信息轉換為唯一的二進制定位編碼。與增量型傳感器相比，絕對值編碼器具有掉電保持、精確度高等特點。

絕對值編碼器由碼盤、光電發射器、光狹縫、光電接收器和齒輪組碼盤組成。被測軸在轉動過程中帶動絕對值碼盤轉動，在編碼器的任何一個位置都可以通過讀取光電接收器的明暗情況確定唯一編碼，進而確定旋轉位移。當軸轉動角度超過360°時，齒輪軸會帶動齒輪組碼盤旋轉進位，增加編碼器量程。

2.2 激光測距儀

激光具有良好的相干性、方向性和單色性，被視作測距儀器的理想光源。根據測距原理的不同，常用的激光測距技術可以分為干涉測距、三角測距、脈沖測距和相位測距。其中相位法的測量原理是將激光發射到被測物體，經過表面發射后，由測距儀接收。測距儀解析計算發射端和接收端的相位差，進而計算出整段距離。這種測量方式精度高，抗干擾性強，被廣泛應用于中遠距離測距。

2.3 格雷母線

基于感應環線原理設計的格雷母線定位系統主要分為3個部分，分別是移動站、格雷母線和固定站。格雷母線內部包括感應環線，并按照格雷碼的排布方式制造。移動站安裝在被測物體上，且距離格雷母線10 cm左右，被測物體在移動過程中與格雷母線發生電磁感應，固定站通過感應強度，實時計算出移動物體的位置，并傳輸到控制系統中。

3 系統架構

天車大車的運行跨度為整個煉鋼車間跨間長度，在跨間高層平臺上安裝格雷母線，并將固定站分別安裝在母線兩側，小車的走行方向是沿著大車的寬度進行，在小車梁上安裝激光測距儀，將反光板沿著激光方向安裝在大車橫梁上用于反射激光，以此來提高測距精確度。將光電式絕對值編碼器安裝在天車主鉤和副鉤提升電機軸側，根據電機的旋轉計算出主鉤和副鉤的高度。另外為了保證天車的安全運行，在常規天車機械防碰撞基礎上，在天車大車兩側安裝激光測距儀，用于實時檢測天車與周邊天車或廠房墻壁的距離，當到達安全警戒距離時，向天車控制系統發出急停信號。

3.1 網絡架構

大車定位的格雷母線系統固定端向外發出位置檢測信號，系統采用Modbus TCP協議，通過以太網無線網橋將信號傳遞到控制系統中，天車控制系統安裝在天車配電室中。激光測距儀通過硬線電纜連接到天車PLC模擬量模塊，通過4 mA～20 mA傳輸方式將位置檢測信號發送到控制系統。絕對值編碼器通過PROFIBUS協議將天車主鉤和副鉤高度傳遞到控制系統中，具體網絡結構圖如圖1所示。

3.2 軟硬件選型及流程

系統檢測儀表的選型如下：激光測距儀采用的型號為TC-20，量程為20 m，編碼器選擇絕對值編碼器BES58-P0SADPHDCD0，配安裝支架和保護裝置，通信方式為PROFIBUS-DP，電纜型號為6XV1 830-0EH10，格雷母線移動站選用型號為AFC-CTR01，格雷母線型號為AWC-EC100，終端箱型號為AWC-BS01。天車控制系統采用西門子S7-300PLC，配343以太網卡和模擬量輸入輸出模塊。

天車走行過程中格雷母線系統實時定位大車的位置，安裝在小車上的激光測距儀實時檢測小車位置，安裝在天車鉤電機上的編碼器實時檢測主副鉤位置，安裝在大車上的激光測距儀用來防止天車發生碰撞。所有檢測數據通過PLC傳遞給上位機，上位機軟件采用含有豐富協議的西門子WinCC7.3上位機系統。

4 結語

隨著電子技術的發展，越來越多的新型檢測裝置被用于工業生產當中。為煉鋼車間提供一套基于高精度定位技術的煉鋼車間天車安全監控系統，能在保證天車作業效率的同時，保證煉鋼車間的安全生產。

參考文獻

[1]張璋.基于物能流特性的高爐煉鐵系統優化研究[D].武漢：武漢科技大學，2016.

[2]廖釗.基于異構邊界的串補線路全線快速保護[D].武漢：華中科技大學，2016.

[3]何強.大口徑厚壁無縫鋼管綜合測量及噴標系統的研究[D].浙江：浙江大學，2013.

[4]吳紅梅，蔣水秀.基于AS5045的磁旋轉編碼器的研究和應用[J].計算機光盤軟件與應用，2012（7）：57-58.